Мозги на просвет: Цветные мысли

Я наполовину засунут в гигантский бублик, и в голове звучит странная музыка, смутно напоминающая продвинутый сет модного диджея. Глаза закрыты, а в руке у меня зажата резиновая груша, похожая на миниатюрную клизму. Это так называемая «паническая кнопка». Пневматическая она потому, что «бублик» — сверхпроводящий магнит мощностью поля в 3 Тл, в несколько сот тысяч раз превышающей магнитное поле Земли. В таком поле любой металлический магнитный предмет превращается в смертоносный снаряд. А «панической» кнопка называется потому, что внутри магнита многих охватывает приступ клаустрофобии — боязни закрытого пространства. Таких, как правило, засовывают в «бублик» под наркозом. Но лучше, закрыв глаза, слушать неземную музыку, порожденную сильнейшими магнитными и электрическими полями, и думать о том, что лежишь в самом современном и сложном медицинском приборе, который когда-либо создавало человечество, — магнитно-резонансном томографе.

Медицинские Нобели

Для того чтобы создать этот прибор, потребовались фундаментальные прорывы в физике, математике и компьютерной технике, недаром за этой технологией тянется целый шлейф нобелевских премий. В принципе, премию мог получить Евгений Завойский, наблюдавший явление электронного парамагнитного резонанса в Казанском университете в 1944 году. Суть этого явления заключалась в том, что электроны в атомах некоторых элементов периодической системы, помещенных в магнитное поле, способны поглощать энергию в радиочастотном диапазоне с последующим ее излучением. Однако у советского физика тогда не было никакой возможности опубликовать свои результаты, и премия «ушла» за океан. Открытие ЭПР повлекло за собой обнаружение целого ряда аналогичных эффектов. В 1947 году Феликс Блох из Стэнфордского и Ричард Пурселл из Гарвардского университета впервые наблюдали ядерный парамагнитный резонанс, за что и получили в 1952 году Нобелевскую премию по физике.

В начале 1960-х годов Алан Кормак из Университета Тафтса и Годфри Хаунсфилд из английской компании EMI независимо друг от друга разработали математический метод восстановления изображения поперечного среза по многочисленным измерениям поглощения тонкого рентгеновского пучка, проходящего через тело под различными углами. Иными словами, тело просвечивалось рентгеновским аппаратом с различных точек, и после сложной математической обработки можно было получить изображение среза. Метод был назван томографией, от греческого слова tomos — «рассечение». Первоначально время, необходимое для сканирования объекта, составляло девять дней, что было связано с низкоинтенсивным источником гамма-лучей. Мощная рентгеновская трубка снижала время исследования до девяти часов. Отсутствие быстродействующих компьютеров делало последующее восстановление изображения чрезвычайно утомительным занятием.

Тем не менее в 1972 году компания EMI выпустила первые томографы EMI Mark I, и технология, несмотря на астрономическую стоимость, начала победное шествие по медицинским клиникам мира, что привело к получению в 1979 году Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Всего через год после появления EMI Mark I в журнале Nature была опубликована статья профессора химии Университета штата Нью-Йорк Поля Лаутербура «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Хотя открытие и не было запатентовано, этот день считается днем рождения магнитно-резонансной томографии. Через некоторое время Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические методы получения изображения с помощью магнитного резонанса. «Открытие Латербура и Мэнсфилда стало прорывом в медицине, диагностике и лечении», — заявил официальный представитель Нобелевского комитета Ханс Йорнвалл 6 октября 2003 года, вручая Нобелевскую премию по физиологии и медицине двум выдающимся ученым. Вряд ли еще какой прибор в мире собирал большее количество нобелевских премий.

Глава для самых умных (остальные могут пропустить)

На самом деле явление, лежащее в основе МР-томографии, называется ядерно-магнитным резонансом. Слово «ядерный» исчезло после чернобыльской катастрофы, когда у населения развилась радиобоязнь — страх перед любыми явлениями, связанными с ядерной физикой. Специалисты вспоминают, как в 1986 году, когда в Москве устанавливали первый МР-томограф, вокруг медицинского центра бегали люди с радиационными датчиками и устраивали пикеты. Однако магнитный резонанс не имеет никакого отношения к радиации. Зато напрямую связан с ядрами водорода.

Человек в основном состоит из воды, основу которой, в свою очередь, составляют атомы водорода — от 60 до 70%. А ядро водорода, как известно из школьного курса химии, есть не что иное, как протон. Каждый протон имеет некий параметр, называемый спином (квантовый аналог собственного механического момента количества движения). В соответствии с квантовой механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве, которые можно условно обозначить как «вверх» и «вниз». К спину жестко привязан и магнитный момент протона, который также может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Для простоты можно представить протон как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией в пространстве.

Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, магнитный момент его будет направлен либо в ту же сторону, что и поле («вдоль поля»), либо в противоположную («навстречу полю»), причем в первом случае его энергия будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему определенную энергию, в точности равную разнице между этими состояниями. Сделать это можно, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.

Конечно, обнаружить переход единичного протона из одного состояния в другое проблематично. А вот если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным «вдоль» и «навстречу» полю, окажутся примерно равными. Если воздействовать на этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, — переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР.